主導熱輸運的聲學支具有強烈的液體特征
物體中的熱輸運過程是由組成粒子單元的微觀碰撞來實現的,凝聚態物理習慣用聲子的散射來表征這一過程。通常,固體中的熱傳導既有橫波又有縱波聲子的參與,而液體中由于缺乏切向作用力因此其熱輸運僅由軸向的縱波聲子來實現。因此,通常情況下,固體的導熱效果比液體強。本研究成果報道了在具有奇特夾層結構的AgCrSe2晶體中其熱傳導具有液體的特性,因而具有極低的熱導率。AgCrSe2是Ag原子層和CrSe6八面體層沿著c方向堆垛成的六角晶系結構,其中,Ag離子有兩種占位。在低溫下,Ag離子完全占據I位,隨著溫度增加,部分Ag離子具有足夠的能量從而擴散至II位,從而在約450度完成有序-無序相變,即:在這個溫度點后,Ag離子分別有50%幾率占據I位和II位,晶體結構亦從R3m變為R m。運用變溫中子/X射線衍射測出的聲子譜表明,正是由于CrSe6八面體層間的Ag離子發生的有序-無序相變,AgCrSe2晶體中的橫波聲學支(TA)被完全抑制,而縱波聲學支(LA)聲子亦被強烈散射,此即:主導熱輸運的聲學支具有強烈的液體特征。同時,密度泛函微擾理論(Density functional-perturbation theory)的計算亦表明,反映Ag離子振動的橫波聲學支(TA)和Ag離子有序-無序占位引起的固有擾動具有競爭關系,隨著溫度升高,TA支逐漸減幅,直至完成相變后被完全抑制。 本項研究還揭示了這一奇特的橫波聲學支被抑制的現象(固體的類液態熱輸運)也普遍存在于一系列具有類似層狀結構的化合物之中,即:在van der Waals間隙中存在重元素插層晶體結構的化合物。這將極有可能重塑人們對物質中熱輸運的基本認知,并將對熱電材料電聲輸運性能的提升提供良好的思路和契機。
南方科技大學
2021-04-13